米粉稻籽粒直鏈淀粉積累特性

張恒棟，黃敏，鄒應(yīng)斌，陳佳娜，單雙呂

1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長沙 410128；2貴州黔西南喀斯特區(qū)域發(fā)展研究院，貴州黔西南 562400

0 引言

【研究意義】米粉是僅次于稻米作為主食食用的大米產(chǎn)品[1-2]，其原料以早秈稻為主，在我國有廣泛的市場[3-4]。目前米粉稻種類較多，品質(zhì)差異大，加工成的米粉質(zhì)量存在較大差異，難以滿足市場對產(chǎn)品質(zhì)量的需求[5]。品種來源和稻米品質(zhì)，尤其是米粉稻稻米的直鏈淀粉含量是影響其加工米粉品質(zhì)的關(guān)鍵因素[5-7]。研究米粉稻籽粒灌漿過程中直鏈淀粉積累特性對提升米粉稻直鏈淀粉含量有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】種植米粉稻是解決早秈稻因食味差導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)價(jià)值低的一條有效途徑[8-9]。前人通過品種的篩選和選育，普遍認(rèn)為高直鏈淀粉含量的水稻品種適合做米粉稻，直鏈淀粉含量較高的稻米加工的米粉結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，可以減少米粉的蒸煮損失，黏性較強(qiáng)[10]。不同的研究者對適合加工米粉的稻米直鏈淀粉含量的結(jié)果略有差異，認(rèn)可度較高的結(jié)果為稻米直鏈淀粉含量在20%—26.14%時(shí)，加工的米粉品質(zhì)較優(yōu)[2,4,11-12]。劉友明等[13]認(rèn)為直鏈淀粉含量為 10%—17.5%的稻米適合做米粉的加工。直鏈淀粉含量是由直鏈淀粉積累量和籽粒干物質(zhì)量共同決定的，受品種及環(huán)境因素的影響顯著[14]。寬窄行栽培[12]及合理的氮磷比例[15]有利于米粉稻直鏈淀粉含量的優(yōu)化，施用乙烯利可以促進(jìn)米粉稻直鏈淀粉含量的增加[16]。不同類型水稻品種直鏈淀粉含量差異在灌漿初期已經(jīng)比較明顯，隨著灌漿時(shí)間的推移，直鏈淀粉含量升高[17]。高直鏈淀粉含量的水稻品種直鏈淀粉的積累量和積累速率大于低直鏈淀粉含量的品種[18]，同時(shí)直鏈淀粉積累量大的品種其最大積累速率出現(xiàn)的時(shí)間晚、活躍積累天數(shù)長[19]。水稻直鏈淀粉積累快速期因研究地域或品種的不同得到的結(jié)果并不一致[17-21]，溫度是直鏈淀粉形成過程中重要因素之一[22-25]，程方民等[23]認(rèn)為齊穗后20 d內(nèi)受溫度影響直鏈淀粉含量變化較大，適溫條件下灌漿期籽粒直鏈淀粉積累速率慢，持續(xù)時(shí)間長，高溫有助于直鏈淀粉含量的提升[25]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】通過品種的篩選可知高直鏈淀粉含量的水稻品種適合做米粉的加工，不同的栽培調(diào)控措施可以調(diào)節(jié)米粉稻直鏈淀粉含量的變化，然而米粉稻籽粒灌漿過程中直鏈淀粉的積累特性及其與籽粒灌漿參數(shù)的關(guān)系鮮有報(bào)道，米粉稻直鏈淀粉積累動(dòng)態(tài)參數(shù)及其對直鏈淀粉含量的影響尚不明確。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究通過選用高直鏈淀粉的米粉稻品種和低直鏈淀粉的對照品種進(jìn)行籽粒灌漿、直鏈淀粉積累動(dòng)態(tài)研究，分析不同水稻品種籽粒灌漿和直鏈淀粉積累參數(shù)，明確影響米粉稻直鏈淀粉含量形成的籽粒灌漿和直鏈淀粉積累特性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2016—2017年早、晚季在湖南省瀏陽市永安鎮(zhèn)進(jìn)行，土壤基本情況為有機(jī)質(zhì)43.44 g·kg-1、速效氮 200.70 mg·kg-1、速效磷 6.24 mg·kg-1、速效鉀148.13 mg·kg-1，pH 6.08。

1.2 試驗(yàn)材料

根據(jù)當(dāng)?shù)厣a(chǎn)實(shí)際，選擇米粉稻品種（NR）陸兩優(yōu) 996（LLY996，秈型兩系雜交稻）、中嘉早 17（ZJZ17，秈型常規(guī)稻）和對照品種（CK）陵兩優(yōu)268（LLY268，秈型兩系雜交稻）、湘早秈45（XZX45，秈型常規(guī)稻）為材料。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，重復(fù)3次，小區(qū)面積40 m2。試驗(yàn)用58 cm×25 cm的秧盤，裝填淤泥育秧，播種方式參照SHAN等[26]采用雙本印刷播種，每年早季于3月27日播種，4月19日移栽，晚季于7月7日播種，7月23日移栽。試驗(yàn)用井關(guān)PZ80-25插秧機(jī)插秧，早季施 135 kg N·hm-2，晚季施 150 kg N·hm-2，N∶P2O5∶K2O為1∶0.5∶1。氮肥按照基肥∶蘗肥∶穗肥按照5∶2∶3的方式施用，磷肥全部做基肥施用，鉀肥按照基肥∶穗肥為5∶5的比例施用，田間管理同當(dāng)?shù)厣a(chǎn)習(xí)慣保持一致。

1.4 測定內(nèi)容與方法

1.4.1 直鏈淀粉含量的測定 直鏈淀粉含量測定參照標(biāo)準(zhǔn)NY147-88[27]，采用KI-I靛藍(lán)比色法。

1.4.2 籽粒灌漿和直鏈淀粉積累動(dòng)態(tài) 于齊穗期對所有小區(qū)內(nèi)的水稻選取開花的稻穗100穗進(jìn)行掛牌標(biāo)記。自齊穗后3 d起每個(gè)小區(qū)在掛牌標(biāo)記的稻穗中隨機(jī)選取5穗進(jìn)行取樣，于70℃烘干后手工脫殼，并計(jì)數(shù)獲得的粒數(shù)后稱重，計(jì)算平均粒重。采用超微粉碎機(jī)粉碎后測定每個(gè)時(shí)期的直鏈淀粉含量，用粒重×各時(shí)期直鏈淀粉含量計(jì)算直鏈淀粉的積累量。

籽粒灌漿和直鏈淀粉積累的各參數(shù)參照 HUANG等[28]和劉紅杰等[29]的方法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算增長動(dòng)態(tài)的2個(gè)拐點(diǎn)t1和t2，及灌漿持續(xù)時(shí)間點(diǎn)t3，開花期—t1為漸增期（T1），t1—t2為快速期（T2），t2—t3為緩增期（T3），花后—t3為灌漿持續(xù)時(shí)間（D）。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2016 整理數(shù)據(jù)和繪制圖表，采用Statistix 8.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，用LSD0.05法進(jìn)行多重比較，DPS 18.0進(jìn)行相關(guān)性分析和數(shù)學(xué)模型的建立。

2 結(jié)果

2.1 不同種植季節(jié)抽穗期氣溫和輻射數(shù)據(jù)

早、晚季花后日平均氣溫分別為 27.3℃、21.3℃（2016年）和27.4℃、22.5℃（2017年）；早季種植，2016年水稻開花后前5 d的日平均氣溫為30.1℃，比2017年同時(shí)間段高5.4℃及2年晚季同階段高5.1℃—6.3℃；晚季種植，2016年水稻花后前15 d日平均氣溫為22.6℃，比2017年同時(shí)間段低3.2℃。2016年早、晚季日平均入射輻射量為 15.4 MJ·m-2和 12.4 MJ·m-2，分別比2017年同季節(jié)日平均輻射量高11.5%和45.9%（圖1）。

2.2 不同水稻直鏈淀粉含量差異

雜交稻 LLY996（NR）在早、晚季種植直鏈淀粉含量分別達(dá)到 23.31%、20.78%（2016年）和23.75%、22.51%（2017年），分別比同一種植季節(jié)的LLY268（CK）高78.9%、41.5%（2016年）和64.0%、42.3%（2017年），同季節(jié)ZJZ17（NR）的直鏈淀粉含量比XZX45（CK）高 47.1%—66.0%，差異顯著。2016—2017年NR直鏈淀粉含量平均比CK分別高72.3%、63.1%（早季）和45.1%、44.8%（晚季）（圖 2）。

2.3 不同水稻品種籽粒直鏈淀粉積累動(dòng)態(tài)

不同的水稻品種在不同的種植季節(jié)，直鏈淀粉的積累動(dòng)態(tài)均極顯著擬合Logistic方程（R2=0.955—0.995），擬合參數(shù)如表 1所示。擬合方程計(jì)算不同水稻品種直鏈淀粉積累參數(shù)（表2），由不同階段直鏈淀粉的積累量可知，相同種植季節(jié)直鏈淀粉積累的Ta1、Ta2、Ta3期及最大積累速率啟動(dòng)時(shí)直鏈淀粉的積累量，LLY996比 LLY268分別高56.9%—103.4%、57.0%—104.4%、55.0%—96.3%和56.9%—105.1%；ZJZ17比XZX45分別高49.2%—78.7%、50.0%—80.1%、47.5%—76.2%和50.4%—80.4%；同季內(nèi) NR分別比 CK平均高 60.0%—91.1%、61.2%—92.3%、59.3%—89.3%和61.2%—92.8%。

表1 不同水稻品種直鏈淀粉積累動(dòng)態(tài)擬合Logistic方程Y=K/(1+EXP(A-BX)參數(shù)Table 1 The parameters of the dynamic of amylose accumulation with different rice varieties fitted the Logistic equation Y=K/(1+EXP(A-BX)

由表2可知，相同的種植季節(jié)，直鏈淀粉積累的漸增期（Ta1），NR比CK平均長0.6—2.8 d，其中LLY996比 LLY268長 0.4—3.0 d，ZJZ17比 XZX45長0.7—2.5 d；直鏈淀粉積累快速期（Ta2）、緩增期（Ta3）和積累持續(xù)期（Da）在NR和CK之間無明顯差異規(guī)律。直鏈淀粉最大積累速率啟動(dòng)時(shí)間，NR比CK平均晚1.4—2.9 d，其中除2017年晚季4個(gè)水稻品種最大積累速率出現(xiàn)在同一天，相同種植季節(jié)LLY996最大積累速率比LLY268晚0.5—4.6 d，ZJZ17比XZX45晚0.8—2.2 d。

相同的種植季節(jié)直鏈淀粉積累平均速率、Ta1期積累速率和最大積累速率均表現(xiàn)為 NR高于 CK（表2），平均分別高 36.7%—91.2%、40.2%—58.3%和29.2%—108.7%，其中 LLY996比 LLY268分別高16.6%—95.8%、37.5%—70%和56.9%—105.1%，ZJZ17比 XZX45分別高 34.4%—97.4%、36.4%—66.7%和50.4%—80.4%；相同種植季節(jié)直鏈淀粉積累起始速率、Ta2和Ta3期直鏈淀粉積累速率表現(xiàn)為NR比CK平均高 10.8%—161.6%、29.0%—116.8%和 24.4%—103.6%。相同類型的品種間差異在不同季節(jié)的變化略有不同。

2.4 不同水稻品種籽粒灌漿動(dòng)態(tài)

不同水稻品種籽粒灌漿過程擬合 Logistic方程的擬合參數(shù)如表 3所示，相關(guān)系數(shù)R2為 0.964—0.996，相關(guān)性極顯著。由不同水稻品種直鏈淀粉積累參數(shù)（表4）可知，相同的種植季節(jié)，籽粒灌漿Tf1持續(xù)期，NR比CK平均長0.1—1.8 d；籽粒最大灌漿速率啟動(dòng)時(shí)間，NR比CK平均晚1.2—2.0 d，其中 LLY996和ZJZ17的Tf1持續(xù)期分別比2個(gè)對照品種平均長1.1 d和1.0 d，最大灌漿速率啟動(dòng)時(shí)間比2個(gè)對照品種平均延遲2.1 d和0.9 d。

表3 不同水稻品種籽粒灌漿動(dòng)態(tài)擬合Logistic方程Y=K1/(1+EXP(A1-B1X)參數(shù)Table 3 The parameters of the dynamic of grain filling with different rice varieties fitted the Logistic equation Y=K1/(1+EXP(A1-B1X)

表4 不同水稻品種籽粒灌漿參數(shù)Table 4 The parameters of grain filling with different rice varieties

相同的種植季節(jié)，籽粒持續(xù)灌漿期，NR比 CK平均長1.2—3.6 d；Tf3持續(xù)期積累的干物質(zhì)量，NR比CK平均多1.7%—37.5%，其中晚季籽粒灌漿持續(xù)期表現(xiàn)為LLY996比LLY268和XZX45長3.7—4.3 d，ZJZ17比LLY268和XZX45長1.8—2.9 d，Tf3持續(xù)期積累的干物質(zhì)量，LLY996和ZJZ17分別比2個(gè)對照品種多 11.9%—82.3%和 7.5%—8.0%，2年早季種植，品種間變化規(guī)律不一致。

早季種植，籽粒起始灌漿速率和Tf1期灌漿速率，LLY996比 LLY268分別低 4.0%—52.9%和1.7%—72.2%，ZJZ17比 XZX45分別低 30.7%—33.2%和 16.1%—23.0%，NR比 CK平均分別低18.3%—45.7%和6.1%—8.6%，晚季間無明顯變化規(guī)律。晚季種植，籽粒灌漿的平均速率，NR比CK平均低2.0%—8.8%；Tf2期和Tf3期的持續(xù)時(shí)間，NR比 CK平均長1.3—2.4 d和0.6—1.2 d；Tf1期、Tf2期和最大灌漿速率啟動(dòng)時(shí)積累的干物質(zhì)量，NR比CK平均分別高10.8%—12.9%、7.7%—10.3%和10.2%—12.3%；而早季種植，NR和CK之間無明顯變化規(guī)律。

2.5 直鏈淀粉積累的不同階段的貢獻(xiàn)率及其與籽粒灌漿過程的同步性

直鏈淀粉積累過程伴隨籽粒灌漿過程產(chǎn)生（圖3），不同種植季節(jié)NR和CK表現(xiàn)為籽粒灌漿過程中干物質(zhì)積累的漸增期、快速期、緩增期啟動(dòng)時(shí)間比直鏈淀粉積累對應(yīng)的階段早0.1—4.9 d，多數(shù)集中在1.0—3.0 d。同一階段籽粒灌漿啟動(dòng)時(shí)間早于直鏈淀粉積累啟動(dòng)時(shí)間，其發(fā)生啟動(dòng)的順序依次表現(xiàn)為籽粒灌漿和直鏈淀粉積累的漸增期、籽粒灌漿快速期、直鏈淀粉積累快速期、籽粒灌漿緩增期、直鏈淀粉積累的緩增期；而灌漿和直鏈淀粉積累的持續(xù)期結(jié)束的時(shí)間除了極少數(shù)存在不規(guī)律性，大部分表現(xiàn)為灌漿持續(xù)期結(jié)束較早。雖然同一積累階段直鏈淀粉的積累量在品種間有較大的差異（表 3），但是同一直鏈淀粉積累階段的積累量對其籽粒直鏈淀粉總量的貢獻(xiàn)率基本上穩(wěn)定（表5），不同的水稻品種在Ta1期、Ta2期、Ta3期直鏈淀粉積累量對籽粒總直鏈淀粉積累量的貢獻(xiàn)率分別為 20.91%—21.32%、57.58%—57.88%、11.26%—14.73%。

表5 不同水稻直鏈淀粉積累持續(xù)期直鏈淀粉積累量對其籽粒直鏈淀粉積累總量的貢獻(xiàn)率Table 5 The contribution rate of amylose accumulation during the amylose continuous accumulation duration to its total amylose accumulation in grain with different rice (%)

3 討論

高直鏈淀粉的水稻直鏈淀粉的積累量和積累速率顯著高于中、低直鏈淀粉含量的水稻[17]。隨著灌漿時(shí)間的推移，籽粒中直鏈淀粉含量明顯升高，品種間直鏈淀粉含量的差異在灌漿初期就已經(jīng)比較明顯，而不是中后期表現(xiàn)出來的[17-21]。郭連安等[19]研究表明直鏈淀粉積累量的高低主要取決于直鏈淀粉最大積累速率，閆素輝等[30]認(rèn)為小麥籽粒直鏈淀粉積累起始速率、平均速率和最高速率高的品種直鏈淀粉積累量大。本文結(jié)果表明，相同的種植季節(jié)，NR在直鏈淀粉積累漸增期、快速期、緩增期及最大積累速率時(shí)，直鏈淀粉積累量比CK高60.0%—91.1%、61.2%—92.3%、59.3%—89.3%和61.2%—92.8%，直鏈淀粉積累漸增期積累速率，NR比CK高36.4%—70.0%（表2），如何根據(jù)直鏈淀粉積累參數(shù)變化特點(diǎn)，進(jìn)行優(yōu)化米粉稻直鏈淀粉含量的栽培調(diào)控措施的探索還需要進(jìn)一步研究。

水稻直鏈淀粉的含量是隨著籽粒灌漿過程形成的，形成過程均可以用Logistic方程進(jìn)行擬合[19,21]，籽粒中直鏈淀粉和支鏈淀粉的合成和積累是水稻籽粒灌漿過程中的主要活動(dòng)[21]。本研究結(jié)果表明，相同的種植季節(jié)，籽粒持續(xù)灌漿期，NR比CK平均長1.2—3.6 d，籽粒灌漿漸增期，NR比CK平均長0.1—1.8 d；籽粒最大灌漿速率啟動(dòng)時(shí)間，NR比CK平均晚1.2—2.0 d。直鏈淀粉的積累漸增期結(jié)束時(shí)間晚于籽粒灌漿漸增期結(jié)束時(shí)間，快速期、緩增期開始的時(shí)間和最大積累速率啟動(dòng)時(shí)間分別晚于籽粒灌漿干物質(zhì)積累的快速期、緩增期開始的時(shí)間和最大灌漿速率啟動(dòng)時(shí)間，多數(shù)直鏈淀粉的積累持續(xù)時(shí)間長于籽粒灌漿持續(xù)時(shí)間（圖3）。這可能是因?yàn)榭偟矸鄣姆e累過程在很大程度上可以反映籽粒干物質(zhì)的積累動(dòng)態(tài)[31]，雖然不同水稻品種直鏈淀粉積累量不一致，但是基本上保持相同的變化趨勢。支鏈淀粉形成的聚合物可以為直鏈淀粉的合成提供場所[32]，隨著籽粒的發(fā)育，籽粒中直鏈淀粉的積累速率和積累量低于支鏈淀粉[22,33]。

關(guān)于直鏈淀粉積累的快速期前人有不同的結(jié)論，何秀英等[20]認(rèn)為是花后 3—12 d，郭連安等[19]認(rèn)為是花后5—20 d，范永義等[33]認(rèn)為花后15 d內(nèi)是直鏈淀粉積累最快的時(shí)期。本研究結(jié)果表明，根據(jù)品種和種植季節(jié)的不同，水稻直鏈淀粉積累的漸增期、快速期啟動(dòng)和持續(xù)的時(shí)間均有差異，同一季節(jié)漸增期持續(xù)的時(shí)間，NR比CK長0.4—2.5 d，同一品種不同的種植季節(jié)持續(xù)時(shí)間相差1.1—5.6 d，從而導(dǎo)致快速積累期開始和持續(xù)的時(shí)間也不一致。不同的品種在不同的種植季節(jié)漸增期、快速積累期發(fā)生和持續(xù)的時(shí)間不同，直鏈淀粉積累量差異很大，但是這2個(gè)時(shí)期內(nèi)直鏈淀粉的積累量對籽?？傊辨湹矸哿康呢暙I(xiàn)率保持穩(wěn)定，漸增期、快速積累期的貢獻(xiàn)率為 20.91%—21.32%、57.58%—57.88%，變化幅度很小。不同積累階段發(fā)生和持續(xù)的時(shí)間隨著品種和季節(jié)的變化有較大差異，因此，用花后某個(gè)時(shí)間段來定義直鏈淀粉的快速積累期存在一定的片面性。

灌漿前期是籽粒直鏈淀粉積累受外界環(huán)境因素影響最大的時(shí)期，直鏈淀粉積累的調(diào)控主要在灌漿階段的前期和中期[34]，籽粒灌漿是籽粒干物質(zhì)積累的過程，其中包含淀粉的積累，直鏈淀粉作為淀粉組分之一，它的積累受到籽粒灌漿過程中諸多因素的影響[17-24]。前人研究表明，灌漿期遮光不利于直鏈淀粉的積累，弱光會(huì)降低水稻的灌漿速率和起始勢，低溫會(huì)延長水稻的灌漿期同時(shí)降低灌漿速率[35-36]。本研究結(jié)果表明，2016年早季，不同水稻品種直鏈淀粉積累速率和灌漿速率高于其他3季，灌漿和直鏈淀粉積累持續(xù)時(shí)間均短于其他3季，主要與灌漿起始階段較高的溫度和光照強(qiáng)度有關(guān)。自然環(huán)境是一個(gè)復(fù)雜的環(huán)境，光照強(qiáng)度和溫度的變化對籽粒灌漿和直鏈淀粉積累的影響程度需要借助人工氣候培養(yǎng)室進(jìn)行進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

灌漿前期高溫和強(qiáng)光照可以提高水稻籽粒灌漿和直鏈淀粉積累速率并縮短籽粒灌漿和直鏈淀粉積累持續(xù)期。與對照品種相比，米粉稻品種有較長的灌漿持續(xù)期，尤其是達(dá)到最大灌漿速率的時(shí)間和灌漿漸增期表現(xiàn)出一致的規(guī)律；稻米直鏈淀粉積累的漸增期、快速期、緩增期直鏈淀粉的積累量對直鏈淀粉積累總量貢獻(xiàn)率相對穩(wěn)定，與對照相比，米粉稻品種直鏈淀粉積累量和積累速率較高，尤其是漸增期積累速率和最大積累速率，因此米粉稻品種灌漿持續(xù)時(shí)間較長，直鏈淀粉積累速率較高。直鏈淀粉積累漸增期積累速率高、持續(xù)時(shí)間長是米粉稻形成高直鏈淀粉含量的基礎(chǔ)。